Nästan allt i ditt dagliga liv beror på katalysatorer: bilar, Post-It-lappar, tvättmedel eller öl. Alla delar av din smörgås-bröd, cheddarost, stekt kalkon., Katalysatorer bryter ner pappersmassa för att producera det släta papperet i din tidning. De rengör dina kontaktlinser varje natt. De förvandlar mjölk till yoghurt och petroleum till plastmjölkkannor, CD-skivor och cykelhjälmar.
vad är katalys?
katalysatorer påskyndar en kemisk reaktion genom att sänka mängden energi du behöver för att få igång en. Katalys är ryggraden i många industriella processer, som använder kemiska reaktioner för att göra råvaror till användbara produkter. Katalysatorer är integrerade i att göra plast och många andra tillverkade föremål.
även människokroppen körs på katalysatorer., Många proteiner i kroppen är faktiskt katalysatorer som kallas enzymer, som gör allt från att skapa signaler som rör dina lemmar för att hjälpa dig att smälta din mat. De är verkligen en grundläggande del av livet.
små saker kan ha stora resultat.
i de flesta fall behöver du bara en liten mängd katalysator för att göra skillnad. Även katalysatorpartikelns storlek kan ändra hur en reaktion går. Förra året fann ett Argonne-team inklusive materialforskare Larry Curtiss att en silverkatalysator är bättre på sin uppgift när den är i nanopartiklar bara några atomer breda., (Katalysatorn förvandlar Propen till propenoxider, vilket är det första steget i att göra frostskyddsmedel och andra produkter.)
det kan göra saker grönare.
industriella tillverkningsprocesser för plast och andra väsentliga produkter producerar ofta otäcka biprodukter som kan utgöra risker för människors hälsa och miljön. Bättre katalysatorer kan hjälpa till att lösa det problemet. Till exempel producerar samma silverkatalysator faktiskt färre giftiga biprodukter-vilket gör hela reaktionen mer miljövänlig.
i hjärtat är en katalysator ett sätt att spara energi., Och att använda katalysatorer i stor skala kan rädda världen mycket energi. Tre procent av all energi som används i USA går varje år till att omvandla etan och propan till alkener, som bland annat används för att göra plast. Det motsvarar mer än 500 miljoner fat bensin.
katalysatorer är också nyckeln till att låsa upp biobränslen. All biomassa-majs, switchgrass, träd-innehåller en tuff förening som kallas cellulosa, som måste brytas ner för att göra bränsle., Att hitta den perfekta katalysatorn för att sönderdela cellulosa skulle göra biobränslen billigare och mer livskraftiga som en förnybar energikälla.
ofta har vi ingen aning om varför de fungerar.
de exakta orsakerna till att katalysatorer fungerar är ofta fortfarande ett mysterium för forskare., Curtiss arbetar i beräkningskatalys: med hjälp av datorer för att ta itu med det komplicerade samspelet mellan fysik, kemi och matematik som förklarar hur en katalysator fungerar.
när de har räknat ut processen kan forskare försöka bygga en katalysator som fungerar ännu bättre genom att simulera hur olika material kan fungera istället. Potentiella konfigurationer för nya katalysatorer kan köras till tusentals kombinationer, varför superdatorer är bäst att hantera dem.,
När Edison byggde glödlampan testade han bokstavligen hundratals olika filament (sannolikt testa hans laboratorieassistenters tålamod också) innan han upptäckte den karboniserade filamentet. Genom att utnyttja superdatorer och modern teknik kan forskare påskynda åren av testning och kostnad för att komma till genombrott.
Curtiss kör simuleringar på Argonnes Blue Gene / p superdator för att utforma möjliga nya katalysatorer. ”Eftersom superdatorer har blivit snabbare har vi kunnat göra saker som vi aldrig hade kunnat göra för 10 år sedan”, sa han.,
de kan vara avgörande för nästa stora revolution i batterier.
nyligen effektiva litiumjonbatterier hjälpte till att vända clunky biltelefoner till de smala, eleganta mobiltelefoner och bärbara datorer som finns tillgängliga idag. Men forskare söker redan efter nästa revolution i batterier—en som en dag kan göra ett batteri ljus och kraftfull nog att ta en bil 500 miles på språng. En lovande idé är litiumluftbatterier, som använder syre från luften som primär komponent., Men detta nya batteri kommer att kräva helt omforma den interna Kemi, och det kommer att behöva en kraftfull ny katalysator för att få det att fungera. Ett litiumluftbatteri fungerar genom att kombinera litium och syreatomer och sedan bryta dem isär, om och om igen. Det är en situation skräddarsydd för en katalysator, och en bra skulle göra reaktionen snabbare och göra batteriet effektivare.
hur gör man en ny katalysator?
att förstå kemin bakom reaktioner är det första steget; då kan forskare använda modellering för att utforma potentiella nya katalysatorer och få dem testade i labbet., Men det första steget är svårt om du inte kan komma ner till atomnivån för att se vad som händer under en reaktion. Det är där stora vetenskapliga anläggningar som Argonne ’ s Advanced Photon Source (APS) shine.
vid APS kan forskare använda de ljusaste röntgenstrålarna i USA för att spåra reaktionerna i realtid. Vid laboratoriets Elektronmikroskopicenter tar forskare bilder av atomerna medan de reagerar. Curtiss och teamet har använt båda dessa i sitt sökande efter bättre katalysatorer.
Leave a Reply